JP7759540B2 - 回転子及び電動機 - Google Patents

Description

本開示は、回転子及び回転子を備える電動機に関する。本開示は、特に、鉄心に永久磁石が配置された永久磁石埋め込み型の回転子及びこの回転子を備える電動機に関する。

電動機は、家庭用機器又は産業用機器等の様々な電気機器に用いられている。電動機として、鉄心に永久磁石が埋め込まれた回転子を有するＩＰＭ（Ｉｎｔｅｒｉｏｒ Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ Ｍａｇｎｅｔ）モータが知られている。ＩＰＭモータでは、鉄心に埋め込まれた永久磁石によるマグネットトルクに加えて、鉄心に生じる磁気抵抗の大きさの凹凸によるリラクタンストルクを得ることができる。このため、小型で高効率のモータを実現することができる。

従来、ＩＰＭモータの回転子として、第１磁石配置穴と第２磁石配置穴とが周方向に交互に複数ずつ設けられた鉄心と、第１磁石配置穴に配置され、磁極の方向が鉄心の周方向である第１永久磁石と、第２磁石配置穴に配置され、磁極の方向が鉄心の径方向である第２永久磁石とを有するＩＰＭロータが知られている（例えば特許文献１）。

しかしながら、従来のＩＰＭ型のロータでは、隣り合う第１永久磁石と第２永久磁石とにおいて、第１永久磁石の磁束が通ることができる鉄心の領域が少ないため、第２磁石配置穴が第１永久磁石の磁束に干渉し、固定子に鎖交する鎖交磁束が減少するという問題がある。

特開平８－２７５４１９号公報

本開示は、このような問題を解決するためになされたものであり、鎖交磁束を増加させることができる回転子及び電動機を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本開示に係る回転子の一態様は、複数の第１穴及び複数の第２穴を有する鉄心と、それぞれ前記複数の第１穴に配置された複数の第１永久磁石と、前記鉄心に固定された回転軸とを備え、前記複数の第１穴及び前記複数の第２穴は、前記回転軸を中心として放射状に設けられており、前記複数の第１穴の各々は、前記鉄心の径方向に延在し、前記複数の第２穴の各々における前記鉄心の径方向の長さは、前記複数の第１穴の各々における前記鉄心の径方向の長さよりも小さく、前記複数の第２穴の各々は、前記複数の第１穴のうち前記第２穴と前記鉄心の周方向に隣り合う第１穴に対して前記鉄心の径方向の内側寄りに位置し、且つ、当該第２穴と前記鉄心の周方向に隣り合う前記第１穴に向かって突出する突出部を有する。

また、本開示に係る電動機の一態様は、上記の回転子の一態様と、エアギャップを介して前記回転子に対向して配置され、前記回転子に作用する磁力を発生させる固定子とを備える。

本開示によれば、鎖交磁束を増加させることができる。

実施の形態に係る電動機の斜視図である。 実施の形態に係る電動機の断面図である。 実施の形態に係る回転子の断面図である。 実施の形態に係る回転子の一部を拡大して示す拡大平面図と、同拡大平面図のＡ－Ａ線における断面図とを示す図である。 比較例１の回転子の一部を拡大して示す拡大平面図である。 比較例２の回転子の一部を拡大して示す拡大平面図である。 実施の形態に係る回転子の一部を拡大して示す拡大平面図である。 変形例１に係る回転子の一部を拡大して示す拡大平面図である。 変形例２に係る回転子の一部を拡大して示す拡大平面図である。 変形例３に係る回転子の一部を拡大して示す拡大平面図である。 変形例４に係る回転子の一部を拡大して示す拡大平面図である。 変形例５に係る回転子の一部を拡大して示す拡大平面図である。 変形例６に係る回転子の一部を拡大して示す拡大平面図である。 変形例７に係る回転子の部分断面図である。 変形例８に係る回転子の部分断面図である。 変形例９に係る回転子の部分断面図である。 変形例１０に係る回転子の一部を拡大して示す拡大平面図である。 変形例１１に係る回転子の一部を拡大して示す拡大平面図である。 変形例１２に係る回転子の一部を拡大して示す拡大平面図である。 変形例１３に係る回転子の一部を拡大して示す拡大平面図である。 変形例１４に係る電動機における固定子の部分断面図である。 変形例１５に係る回転子の断面図である。

以下、本開示の実施の形態について説明する。なお、以下に説明する実施の形態は、いずれも本開示の一具体例を示すものである。したがって、以下の実施の形態で示される、数値、構成要素、構成要素の配置位置及び接続形態、並びに、工程及び工程の順序等は、一例であって本開示を限定する主旨ではない。よって、以下の実施の形態における構成要素のうち、本開示の最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。

また、各図は、模式図であり、必ずしも厳密に図示されたものではない。なお、各図において、実質的に同一の構成に対しては同一の符号を付しており、重複する説明は省略又は簡略化する。

（実施の形態）
まず、実施の形態に係る電動機１の概略構成について、図１及び図２を用いて説明する。図１は、実施の形態に係る電動機１の斜視図である。図２は、同電動機１の断面図である。なお、図２は、回転軸１０と直交する平面で切断したときの断面を示している。

図１及び図２に示すように、電動機１は、回転子２と固定子３とを備える。電動機１は、回転子２が固定子３の内側に配置されたインナーロータ型のモータである。つまり、固定子３は、回転子２を囲むように構成されている。

回転子２（ロータ）は、固定子３に生じる磁力によって回転する。具体的には、回転子２は、回転軸１０を有しており、回転軸１０の軸心Ｃを回転中心として回転する。

回転子２は、固定子３に作用する磁力を発生する。回転子２は、周方向に亘って主磁束となるＮ極とＳ極とが複数繰り返して存在する構成になっている。回転子２が発生する主磁束の向きは、回転軸１０の軸心Ｃの方向（回転軸方向）と直交する方向である。

回転子２は、固定子３とエアギャップを介して配置されている。具体的には、回転子２の表面と固定子３の表面との間には微小なエアギャップが存在する。詳細は後述するが、回転子２は、鉄心に永久磁石が埋め込まれた永久磁石埋め込み型のロータ（ＩＰＭロータ）である。したがって、本実施の形態における電動機１は、ＩＰＭモータである。

固定子３（ステータ）は、エアギャップを介して回転子２に対向して配置され、回転子２に作用する磁力を発生させる。具体的には、固定子３は、回転子２の回転子鉄心２０を囲むように配置されている。固定子３は、回転子２とともに磁気回路を構成している。

固定子３は、エアギャップ面に主磁束としてＮ極とＳ極とが周方向に交互に生成されるように構成されている。固定子３は、固定子鉄心３ａ（ステータコア）と巻線コイル３ｂ（ステータコイル）とを有する。

固定子鉄心３ａには、回転子２の回転子鉄心２０に向かって突出する複数のティース３ａ１が設けられている。具体的には、複数のティース３ａ１は、回転軸１０の軸心Ｃに向かって突出するように設けられている。また、複数のティース３ａ１は、周方向に等間隔に設けられている。したがって、複数のティース３ａ１は、回転軸１０の軸心Ｃと直交する方向（ラジアル方向）に放射状に延在している。

固定子鉄心３ａは、例えば、回転軸１０の軸心Ｃの方向に積層された複数の鋼板によって構成されている。複数の鋼板の各々は、例えば所定形状に打ち抜き加工された電磁鋼板である。なお、固定子鉄心３ａは、複数の鋼板の積層体に限るものではなく、磁性材料によって構成されたバルク体であってもよい。

巻線コイル３ｂは、固定子鉄心３ａの複数のティース３ａ１の各々に巻き回されている。具体的には、巻線コイル３ｂは、インシュレータを介して各ティース３ａ１に巻き回されている。各巻線コイル３ｂは、互いに電気的に１２０度位相が異なる、Ｕ相、Ｖ相及びＷ相の３相それぞれの単位コイルによって構成されている。つまり、各ティース３ａ１に巻き回された巻線コイル３ｂは、Ｕ相、Ｖ相及びＷ相の相単位でそれぞれに通電される３相の交流によって通電駆動される。これにより、各ティース３ａ１に固定子３の主磁束が生成される。

このように構成された電動機１では、固定子３の巻線コイル３ｂに通電すると、界磁電流が巻線コイル３ｂに流れて固定子３に磁束が生成される。この固定子３の磁束と回転子２の磁束との相互作用によって生じた磁気力が回転子２を回転させるトルクとなり、回転子２が回転する。

次に、本実施の形態に係る回転子２の詳細な構成について、図１及び図２を参照しつつ、図３及び図４を用いて説明する。図３は、実施の形態に係る回転子２の断面図である。図４は、同回転子２の一部を拡大して示す拡大平面図と、同拡大平面図のＡ－Ａ線における断面図である。なお、図３は、回転軸１０と直交する平面で切断したときの断面を示している。

図１～図３に示すように、回転子２は、回転軸１０と、回転子鉄心２０と、複数の第１永久磁石３０と、複数の第２永久磁石４０とを備える。

回転軸１０は、回転子２が回転する際の中心となる長尺状のシャフトである。回転軸１０は、例えば金属棒であり、回転子２の中心に固定されている。具体的には、回転軸１０は、回転子２の両側に突出するように、回転子２の回転子鉄心２０の中心を貫いた状態で回転子鉄心２０に固定されている。回転軸１０は、回転子鉄心２０の中心に形成された貫通孔２０ａに圧入したり、焼き嵌めしたりすることで回転子鉄心２０に固定されている。

なお、図示しないが、回転子２の一方側に突出する回転軸１０の第１部位は、第１軸受けに支持され、回転子２の他方側に突出する回転軸１０の第２部位は、第２軸受けに支持されている。なお、回転軸１０の第１部位又は第２部位に、電動機１によって駆動される負荷が取り付けられる。

回転子鉄心２０（ロータコア）は、複数の第１穴２１及び複数の第２穴２２を有する鉄心である。図４に示すように、回転子鉄心２０は、回転軸１０の軸心Ｃの方向に積層された複数の鋼板２０ｂによって構成されている。具体的には、回転子鉄心２０は、複数の鋼板２０ｂが回転軸１０の軸心Ｃの方向に積層された実質的に円柱状の積層体である。複数の鋼板２０ｂの各々は、例えば所定形状に打ち抜き加工された電磁鋼板であり、かしめ等によって互いに固定されている。

図３に示すように、複数の第１穴２１及び複数の第２穴２２は、回転軸１０を中心として放射状に設けられている。ここで、「放射状」とは実質的な放射状を包含する概念であり、例えば、製造誤差によりズレた形態のものも含んでいる。複数の第１穴２１は、回転子鉄心２０の周方向（回転軸１０の回転方向）に沿って等間隔で設けられている。複数の第２穴２２も同様に、回転子鉄心２０の周方向に沿って等間隔で設けられている。第１穴２１と第２穴２２とは、周方向に沿って交互に設けられている。図４に示すように、第１穴２１及び第２穴２２の各々は、回転軸１０の軸心Ｃの方向に沿って回転子鉄心２０を貫通する貫通孔である。また、回転軸１０に直交する平面で切断したときの任意の断面において、第１穴２１の各々の断面形状は、回転軸１０の軸心Ｃの方向において同じになっており、第２穴２２の各々の断面形状は、回転軸１０の軸心Ｃの方向において同じになっている。したがって、回転子鉄心２０を構成する全ての鋼板２０ｂには、いずれも同じ形状の第１穴２１及び同じ形状の第２穴２２が形成されている。

図３に示すように、平面視において、複数の第１穴２１の各々は、回転子鉄心２０の径方向（回転軸１０の軸心Ｃの方向に直交する方向）に延在している。したがって、長尺状の複数の第１穴２１は、回転軸１０を中心にスポーク状に形成されている。各第１穴２１の平面視形状は、回転子鉄心２０の径方向を長手方向とする長方形である。複数の第１穴２１の各々の平面視形状は、他と互いに同じである。

一方、平面視において、複数の第２穴２２の各々は、回転子鉄心２０の径方向の長さが第１穴２１の長さよりも小さい。つまり、複数の第２穴２２の各々における回転子鉄心２０の径方向の長さは、複数の第１穴２１の各々における回転子鉄心２０の径方向の長さよりも短くなっている。本実施の形態において、第２穴２２における回転子鉄心２０の径方向の長さは、第１穴２１における回転子鉄心２０の径方向の長さの半分以下である。複数の第２穴２２の各々の平面視形状は、他と互いに同じ形状である。なお、第２穴２２の具体的な平面視形状については、後述する。

複数の第１穴２１には、複数の第１永久磁石３０がそれぞれ配置されている。つまり、第１穴２１は、第１永久磁石３０が配置される第１磁石配置穴である。第１永久磁石３０は、焼結マグネットである。したがって、第１穴２１は、磁石挿入孔であり、第１穴２１には、焼結マグネットである第１永久磁石３０が挿入される。１つの第１穴２１には、１つの第１永久磁石３０が挿入されている。

第１永久磁石３０は、回転子２における主磁石である。具体的には、第１永久磁石３０は、磁極の方向が回転子鉄心２０の周方向（回転軸１０の回転方向）となるように配置されている。つまり、第１永久磁石３０は、磁極の方向が回転子鉄心２０の周方向となるように着磁されている。なお、隣り合う２つの第１永久磁石３０は、Ｓ極及びＮ極の磁極の向きが逆向きになっている。

第１永久磁石３０の平面視形状及び大きさは、第１穴２１の平面視形状及び大きさとほぼ同じである。第１永久磁石３０は、第１穴２１に嵌合されている。したがって、第１永久磁石３０の平面視形状は、長尺状の長方形である。一例として、第１永久磁石３０は、板状の直方体である。

なお、各第１穴２１において、第１永久磁石３０と第１穴２１の内面との間には僅かな隙間（クリアランス）が存在していてもよい。この隙間には、第１永久磁石３０を第１穴２１に接着固定するための接着材が設けられていてもよい。一方、この隙間に接着材が設けられていなくてもよい。第１永久磁石３０と第１穴２１の内面との間の隙間は、製造上、最低限必要となる寸法公差が確保されていればよい。

また、複数の第２穴２２には、複数の第２永久磁石４０がそれぞれ配置されている。つまり、第２穴２２は、第２永久磁石４０が配置される第２磁石配置穴である。第２永久磁石４０は、焼結マグネットである。したがって、第２穴２２は、磁石挿入孔であり、第２穴２２には、焼結マグネットである第２永久磁石４０が挿入される。１つの第２穴２２には、１つの第２永久磁石４０が挿入されている。

第２永久磁石４０は、回転子２における補助磁石である。具体的には、第２永久磁石４０は、磁極の方向が回転子鉄心２０の径方向（回転軸１０と直交する方向）となるように配置されている。つまり、第２永久磁石４０は、磁極の方向が回転子鉄心２０の径方向となるように着磁されている。なお、隣り合う２つの第２永久磁石４０は、Ｓ極及びＮ極の磁極の向きが逆向きになっている。

第２永久磁石４０の平面視形状は、第２穴２２の平面視形状と異なっている。第２永久磁石４０の平面視形状は、縦横比が小さい矩形である。一例として、第２永久磁石４０は、棒状の直方体である。

複数の第２穴２２の各々は、突出部２２ａを有する。各第２穴２２において、突出部２２ａは、複数の第１穴２１のうち当該第２穴２２と回転子鉄心２０の周方向に隣り合う第１穴２１に対して回転子鉄心２０の径方向の内側寄りに位置し、且つ、当該第２穴２２と回転子鉄心２０の周方向に隣り合う第１穴２１に向かって突出している。

各第２穴２２の平面視形状は、第２永久磁石４０の平面視形状と同等の形状に、突出部２２ａが付加された形状になっている。つまり、各第２穴２２の平面視形状は、縦横比が小さい矩形の辺に突出部２２ａが付加された形状になっている。

複数の第２穴２２の各々において、突出部２２ａは、回転子鉄心２０の径方向の内側寄りに位置している。つまり、突出部２２ａは、第２穴２２の矩形部分の一辺の全体から突出しているのではなく、第２穴２２の矩形部分の一辺の内側寄りの一部から突出している。

各第２穴２２において、突出部２２ａの平面視形状は、頂点を有し且つ頂点に向かって幅が狭くなる形状である。また、各第２穴２２において、突出部２２ａは、当該第２穴２２に隣り合う第１穴２１の一辺に対向する対向辺を有する。対向辺と隣接第１穴２１の一辺とのなす角は、－５°以上５°以下であることが好ましい。本実施形態では、突出部２２ａにおける対向辺は、この突出部２２ａに隣り合う第１穴２１の一辺と平行になっている。具体的には、突出部２２ａの平面視形状は、三角形であり、この三角形の一辺が第１穴２１の一辺と平行になっている。これにより、図４に示すように、突出部２２ａと第１穴２１との間の部分であるブリッジ部２０ｂｒの幅は、一定になっている。

複数の第２穴２２の各々において、突出部２２ａは、当該第２穴２２における回転子鉄心２０の径方向に延在する中心線を挟んだ両側に設けられている。つまり、突出部２２ａは、第２穴２２の矩形部分の対向する二つの辺の各々から突出している。したがって、第２穴２２の平面視形状は、第２永久磁石４０の平面視形状である縦横比が小さい矩形と、この矩形の対向する二つの辺の各々の内側寄りの一部から張り出した三角形とを足し合わせた形状になっている。

なお、複数の第２穴２２の各々において、２つの突出部２２ａは、当該第２穴２２における回転子鉄心２０の径方向に延在する中心線に対して線対称に設けられている。

第２穴２２に配置される第２永久磁石４０は、第２穴２２の矩形部分に位置している。したがって、各第２穴２２において、突出部２２ａは、第２永久磁石４０に占有されておらず、空隙のままになっている。つまり、突出部２２ａには第２永久磁石４０が存在しておらず、突出部２２ａは空隙部（空間領域）になっている。

なお、各第２穴２２の矩形部分において、第２永久磁石４０と第２穴２２の内面との間には僅かな隙間（クリアランス）が存在していてもよい。この隙間には、第２永久磁石４０を第２穴２２に接着固定するための接着材が設けられていてもよい。この場合、突出部２２ａの少なくとも一部に、第２穴２２と第２永久磁石４０とを固定するための接着材が存在していてもよい。各第２穴２２の矩形部分において、第２永久磁石４０と第２穴２２の内面との間の隙間には、接着材が設けられていなくてもよい。つまり、各第２穴２２の矩形部分において、第２永久磁石４０と第２穴２２の内面との間の隙間は、製造上、最低限必要となる寸法公差が確保されていればよい。

このように構成される回転子２は、磁極数が８である８極ロータであり、主磁束としてＳ極とＮ極との磁極が周方向に交互に位置するように周方向に８個の第１永久磁石３０と８個の第２永久磁石４０とが配置されている。つまり、回転子鉄心２０には、８個の第１穴２１と８個の第２穴２２とが交互に設けられている。

次に、本実施の形態に係る回転子２及び電動機１の作用効果について、本開示に至った経緯も含めて、図５～図７を用いて説明する。図５は、比較例１の回転子２Ｘの一部を拡大して示す拡大平面図である。図６は、比較例２の回転子２Ｙの一部を拡大して示す拡大平面図である。図７は、実施の形態に係る回転子２の一部を拡大して示す拡大平面図である。なお、図５～図７において、矢印は、磁束の流れを示している。

図５に示すように、比較例１の回転子２Ｘでは、上記実施の形態における回転子２と同様に、回転子鉄心２０Ｘに第１穴２１及び第２穴２２Ｘが設けられている。回転子２Ｘでは、第１穴２１に第１永久磁石３０が配置されているとともに第２穴２２Ｘに第２永久磁石４０Ｘが配置されている。

しかしながら、比較例１の回転子２Ｘは、上記実施の形態における回転子２と異なり、第２穴２２Ｘ及び第２永久磁石４０Ｘの平面視形状が台形になっていて、第２穴２２Ｘの側面（第１穴２１に対向する対向辺）の全体が第１穴２１の側面に平行になっている。このため、図５に示される比較例１の回転子２Ｘの構造では、第２穴２２Ｘの台形の底辺の角部分（図５の破線丸で示す部分）で、磁束の流れが阻害されてしまう。

図６に示すように、比較例２の回転子２Ｙでは、上記実施の形態における回転子２と同様に、回転子鉄心２０Ｙに第１穴２１及び第２穴２２Ｙが設けられている。第１穴２１に第１永久磁石３０が配置されているとともに第２穴２２Ｙに第２永久磁石４０Ｙが配置されている。

しかしながら、比較例２の回転子２Ｙは、上記実施の形態における回転子２と異なり、第２穴２２Ｙ及び第２永久磁石４０Ｙの平面視形状が矩形になっている。このため、図６に示される比較例２の回転子２Ｙでは、第２穴２２Ｙの側面（第１穴２１に対向する対向辺）のうち径方向外側部分と第１穴２２の側面とが大きく離れている。この結果、比較例２の回転子２Ｙの構造では、漏れ磁束（図６の破線の矢印）が増加してしまう。したがって、隣り合う第１永久磁石３０と第２永久磁石４０Ｙとにおいて、第１永久磁石３０の磁束と第２永久磁石４０Ｙの磁束とが干渉する。具体的には、第２永久磁石４０Ｙの磁束が当該第２永久磁石４０Ｙに隣り合う第１永久磁石３０の磁束に干渉する。これにより、固定子に鎖交する鎖交磁束が減少してしまう。

これに対して、本実施の形態における回転子２では、図７に示すように、複数の第２穴２２の各々は、複数の第１穴２１のうち当該第２穴２２と回転子鉄心２０の周方向に隣り合う第１穴２１に対して回転子鉄心２０の径方向の内側寄りに位置し、且つ、当該第２穴２２と回転子鉄心２０の周方向に隣り合う第１穴２１に向かって突出する突出部２２ａを有する。

この構成により、第２穴２２における回転子鉄心２０の径方向の外側寄りにおいては、第２穴２２と第１穴２１との幅を大きくしつつ、第２穴２２における回転子鉄心２０の径方向の内側寄りにおいては、第２穴２２と第１穴２１との幅を狭めることができる。つまり、第２穴２２における回転子鉄心２０の径方向の内側寄りにおいてのみ、第２穴２２（突出部２２ａ）と第１穴２１との間の部分であるブリッジ部２０ｂｒの幅を狭めることができる。これにより、図５の比較例１の回転子２Ｘのように第２穴２２Ｘの形状で磁束の流れを阻害してしまうことを抑制することができるとともに、図６の比較例２の回転子２Ｙのように第１永久磁石３０の磁束と第２永久磁石４０Ｙの磁束とが干渉して固定子に鎖交する磁束が減少してしまうことを抑制することができる。

以上より、本実施の形態における回転子２によれば、漏れ磁束を減少させて固定子３に鎖交する鎖交磁束を増加させることができる。

また、本実施の形態における回転子２において、第２穴２２の突出部２２ａにおける第１穴２１に対向する対向辺は、第１永久磁石３０及び第１穴２１の側面に対して平行であるとよい。つまり、ブリッジ部２０ｂｒの幅は、一定であるとよい。

この構成により、漏れ磁束をさらに減少させることができる。したがって、固定子３に鎖交する磁束を一層増加させることができる。

この場合、突出部２２ａの平面視形状は、頂点を有し且つ頂点に向かって幅が狭くなる形状であるとよい。

この構成により、第２穴２２の突出部２２ａにおける第１穴２１に対向する対向辺を、第１永久磁石３０及び第１穴２１の側面に対して容易に平行にすることができる。つまり、ブリッジ部２０ｂｒの幅を容易に一定にすることができる。

ここで、第２穴２２（突出部２２ａ）と第１穴２１との間の部分であるブリッジ部２０ｂｒのうちの突出部２２ａと第１永久磁石３０とが対向する部分の長さｌについて検討した。その検討結果について、図７を用いて説明する。

図７に示すように、ブリッジ部２０ｂｒのうちの突出部２２ａと第１永久磁石３０とが対向する部分の長さをｌとすると、ｌは、第１永久磁石３０の内周側端面と点Ｐとの距離となる。ここで、点Ｐは、第１穴２１の第２穴２２に対向する対向辺に対して垂直な方向から突出部２２ａを対向辺に投影したときの投影像の外側の端部である。

第１永久磁石３０のうち短絡磁束を発生させる領域（図７のドットハッチングで示す領域）を領域Ｓとする。領域Ｓにおける回転子鉄心２０の径方向の長さをｌ_ｍｇとする。第１永久磁石３０の表面磁束密度をＢ’_ｒとすると、領域Ｓの発生磁束量φ１は、φ１＝Ｂ’_ｒ×ｌ_ｍｇとして表される。

また、ブリッジ部２０ｂｒの磁気飽和領域ＭＳの磁束密度をＢ’_ｓとし、ブリッジ部２０ｂｒの、第１永久磁石３０の内周側端面上での幅をｗとすると、磁気飽和領域ＭＳを通る磁束量φ２は、φ２＝Ｂ’_ｓ×ｗとして表される。

このとき、磁気飽和領域ＭＳ以外を通って短絡する磁束量をＡ（Ａ＞０）とすると、φ１＝φ２＋Ａとして表すことができ、以下の（式１）となる。

ここで、ブリッジ部２０ｂｒの突出部２２ａと第１永久磁石３０の対向する部分の長さｌは、第１永久磁石３０のうち短絡磁束を発生させる領域Ｓにおける回転子鉄心２０の径方向の長さｌ_ｍｇと同じであることが最適である。したがって、上記の（式１）において、ｌ＝ｌ_ｍｇを代入すると、ブリッジ部２０ｂｒの突出部２２ａと第１永久磁石３０の対向する部分の長さｌは、以下の（式２）で表すことができる。

また、第１永久磁石３０の残留磁束密度をＢ_ｒとし、回転子鉄心２０の飽和磁化をＪ_ｓとすると、Ｂ’_ｒ＜Ｂ_ｒ、Ｂ’_ｓ＞Ｊ_ｓである。したがって、Ａ＞０であることから、上記の（式２）は、以下の（式３）で表すことができる。

以上より、ブリッジ部２０ｂｒの突出部と第１永久磁石の対向する部分の長さｌは、上記の（式３）の関係式を満たすとよい。この（式３）の関係式を満たすことで、漏れ磁束を減少させて固定子に鎖交する鎖交磁束を効果的に増加させることができる。

以上のように、本実施の形態の回転子２は、複数の第１穴２１及び複数の第２穴２２を有する回転子鉄心２０と、それぞれ複数の第１穴２１に配置された複数の第１永久磁石３０と、回転子鉄心２０に固定された回転軸１０とを備え、複数の第１穴２１及び複数の第２穴２２は、回転軸１０を中心として放射状に設けられており、複数の第１穴２１の各々は、回転子鉄心２０の径方向に延在し、複数の第２穴２２の各々における回転子鉄心２０の径方向の長さは、複数の第１穴２１の各々における回転子鉄心２０の径方向の長さよりも小さく、複数の第２穴２２の各々は、複数の第１穴２１のうち第２穴２２と回転子鉄心２０の周方向に隣り合う第１穴２１に対して回転子鉄心２０の径方向の内側寄りに位置し、且つ、当該第２穴２２と回転子鉄心２０の周方向に隣り合う第１穴２１に向かって突出する突出部２２ａを有する。

これにより、鎖交磁束を増加させることができる。

回転子２では、複数の第２穴２２の各々において、突出部２２ａは、回転子鉄心２０の径方向の内側寄りに位置している。

この構成により、第１永久磁石３０の磁束と第２永久磁石４０の磁束とで構成される鎖交磁束を増加させることができる。

回転子２では、複数の第２穴２２の各々において、突出部２２ａは、当該第２穴２２における回転子鉄心２０の径方向に延在する中心線を挟んだ両側に設けられている２つの突出部２２ａを含む。この場合、突出部２２ａは、当該第２穴２２における回転子鉄心２０の径方向に延在する中心線に対して線対称に設けられているとよい。

この構成により、回転子２が左回転及び右回転の両方に回転する場合であっても、漏れ磁束を減少させて鎖交磁束を増加させることができる。なお、突出部２２ａは両側ではなく片側のみに設けられていてもよい。また、一方端のみに突出部２２ａを有する第２穴２２と他方端のみに突出部２２ａを有する第２穴２２とが周方向に交互に設けられていてもよい。

（変形例）
以上、本開示に係る回転子２及び電動機１について、実施の形態に基づいて説明したが、本開示は、上記実施の形態に限定されるものではない。

例えば、上記実施の形態では、第２穴２２に第２永久磁石４０が配置されていたが、これに限らない。図８は、変形例１に係る回転子の一部を拡大して示す拡大平面図である。具体的には、図８に示される回転子２Ａのように、第２穴２２に第２永久磁石４０を配置せずに、第１穴２１及び第２穴２２のうち第１穴２１のみに第１永久磁石３０を配置してもよい。つまり、図８では、複数の第２穴２２の各々は、第２永久磁石４０が存在せずに全体が空隙（空間領域）になっている。この場合、第２永久磁石４０が存在しない分、回転子２Ａとしての主磁束は減少するものの、図８において第２穴２２に突出部２２ａを設けなかった場合と比べて、漏れ磁束を減少させることができ鎖交磁束を増加させることができる。

上記実施の形態において、ブリッジ部２０ｂｒは、回転子鉄心２０の他の部分と面一であったが、これに限らない。図９は、変形例２に係る回転子の一部を拡大して示す拡大平面図である。具体的には、図９に示される回転子２Ｂのように、回転子鉄心２０Ｂにおけるブリッジ部２０ｂｒの表面は、回転軸１０の軸心Ｃの方向に凹んでいてもよい。例えば、回転子鉄心２０Ｂにプレス加工を施してブリッジ部２０ｂｒに凹部２３（図９の平面図のドットハッチングで示される領域）を形成することで、ブリッジ部２０ｂｒの表面を他の表面よりも窪ませることができる。これにより、ブリッジ部２０ｂｒの厚さｔ_{ｐｒｅｓｓ}は、ブリッジ部２０ｂｒ以外の部分の厚さｔよりも薄くすることができる。このように、ブリッジ部２０ｂｒを凹ませて厚さを薄くすることで、漏れ磁束をさらに減少させることができ、鎖交磁束を一層増加させることができる。なお、ブリッジ部２０ｂｒの表面の全てを凹ませることに限定されず、ブリッジ部２０ｂｒの少なくとも一部を凹ませる形態にしてもよい。

上記実施の形態では、図７に示すように、突出部２２ａのうち最も回転子鉄心２０の径方向の内側に位置する部分は、第１永久磁石３０の内周側側面上の面の付近であったが、これに限らない。図１０は、変形例３に係る回転子の一部を拡大して示す拡大平面図である。具体的には、図１０に示される回転子２Ｃの回転子鉄心２０Ｃのように、突出部２２ａの一部が、第１永久磁石３０の内周側側面よりも回転子鉄心２０の径方向の内側に存在していてもよい。

上記実施の形態では、第２穴２２の突出部２２ａの平面視形状は、直線状の辺のみからなる多角形であり、突出部２２ａの側面は平面のみによって構成されていたが、これに限らない。図１１は、変形例４に係る回転子の一部を拡大して示す拡大平面図である。例えば、図１１に示される回転子２Ｄの回転子鉄心２０Ｄのように、突出部２２ａの側面の一つに曲面が含まれていてもよい。この場合、上記実施の形態のように、突出部２２ａにおける第１穴２１と対向する側面を平面とし、突出部２２ａにおける第１穴２１と対向する側面と第１穴２１の側面とが平行になっているとよい。つまり、平面視において、突出部２２ａにおける第１穴２１と対向する対向辺と第１穴２１の一辺とは平行であるとよい。

上記実施の形態において、突出部２２ａにおける第１穴２１と対向する対向辺と、第１穴２１の一辺とは平行であったが、これに限らない。図１２は、変形例５に係る回転子の一部を拡大して示す拡大平面図である。例えば、図１２に示される回転子２Ｅの回転子鉄心２０Ｅのように、突出部２２ａにおける第１穴２１と対向する対向辺と第１穴２１の一辺とは平行でなくてもよい。図１３は、変形例６に係る回転子の一部を拡大して示す拡大平面図である。同様に、図１３に示される回転子２Ｆの回転子鉄心２０Ｆのように、突出部２２ａにおける第１穴２１と対向する対向辺と回転子鉄心２０Ｆの第１穴２１の一辺とは平行でなくてもよい。例えば、図１２に示すように、突出部２２ａの対向辺が第１穴２１の一辺から遠ざかるように突出部２２ａが設けられていてもよいし、図１３に示すように、突出部２２ａの対向辺が第１穴２１の一辺に近づくように突出部２２ａが設けられていてもよい。また、図示はしないが、突出部２２ａの対向辺が複数の直線によって構成されていてもよい。また、図示はしないが、突出部２２ａの対向辺は、複数の曲線によって構成されてもよいし、１つ以上の直線と１つ以上の曲線の組み合わせによって構成されていてもよい。

また、上記実施の形態において、第２穴２２の各々の断面形状は、回転軸１０に直交する平面で切断したときの任意の断面において回転軸１０の軸心Ｃの方向において同じ形状となっていたが、これに限らない。

図１４は、変形例７に係る回転子の部分断面図である。例えば、図１４に示される回転子２Ｈの回転子鉄心２０Ｈのように、複数の鋼板２０ｂのうちの少なくとも２つは、第２穴２２が設けられておらず、複数の鋼板２０ｂのうちの第２穴２２が設けられていない２つの鋼板２０ｂの間に位置する鋼板２０ｂには、第２穴２２が設けられていて、第２永久磁石４０が、第２穴２２が設けられていない２つの鋼板２０ｂに挟まれていてもよい。具体的には、図１４における回転子鉄心２０Ｈでは、複数の鋼板２０ｂのうち両端の鋼板２０ｂには第２穴２２が設けられておらず、第２永久磁石４０は、一方端の鋼板２０ｂと他方端の鋼板２０ｂとに挟持されている。これにより、接着材を用いることなく第２永久磁石４０を第２穴２２に保持させることができる。

図１５は、変形例８に係る回転子の部分断面図である。図１５に示される回転子２Ｉの回転子鉄心２０Ｉのように、複数の鋼板２０ｂのうちの少なくとも１つは、第２穴２２が設けられておらず、第２永久磁石４０は、第２穴２２が設けられていない鋼板２０ｂを介して２つ配置されていてもよい。具体的には、図１５における回転子鉄心２０Ｉでは、１つの第２穴２２に２つの第２永久磁石４０が配置されている。この構成により、１つの第２穴２２に複数の第２永久磁石４０を容易に挿入することができる。なお、１つの第２穴２２には、３つ以上の第２永久磁石４０が配置されていてもよい。

図１６は、変形例９に係る回転子の部分断面図である。図１６に示される回転子２Ｊの回転子鉄心２０Ｊのように、複数の鋼板２０ｂのうちの少なくとも１つは、第２穴２２の辺の一部から当該第２穴２２の内方に向かって突出する突起２４を有していてもよい。具体的には、図１６における回転子鉄心２０Ｊでは、複数の鋼板２０ｂのうち両端に位置する鋼板２０ｂの一方における第２穴２２に突起２４が設けられている。この構成により、第２永久磁石４０を第２穴２２に挿入したときに突起２４がストッパとして機能するので、第２穴２２に第２永久磁石４０を容易に保持させることができる。突起２４は、１つの回転子鉄心２０Ｊに形成されている第２穴２２の全てに形成することに限定されず、一部の第２穴２２のみに形成してもよい。

また、上記実施の形態において、第２穴２２及び第２永久磁石４０の内周側（回転軸１０側）の辺は、第１穴２１及び第１永久磁石３０の内周側の辺と同じ位置になっていたが、これに限らない。図１７は、変形例１０に係る回転子の一部を拡大して示す拡大平面図である。例えば、図１７に示される回転子２Ｋの回転子鉄心２０Ｋのように、第２穴２２及び第２永久磁石４０の内周側の辺は、第１穴２１及び第１永久磁石３０の内周側の辺よりも内周側（回転軸１０側）に位置していてもよい。つまり、第２穴２２及び第２永久磁石４０は、第１穴２１及び第１永久磁石３０よりも内周側に位置していてもよい。あるいは、図示しないが、第２穴２２及び第２永久磁石４０の内周側の辺は、第１穴２１及び第１永久磁石３０の内周側の辺よりも外周側に位置していてもよい。

上記実施の形態において、第１永久磁石３０が挿入された第１穴２１には空隙部が形成されていなかったが、これに限らない。図１８は、変形例１１に係る回転子の一部を拡大して示す拡大平面図である。例えば、図１８に示される回転子２Ｌの回転子鉄心２０Ｌのように、第１穴２１の外周側の辺の両端部にフラックスバリアとして空隙部２１ａを形成してもよい。この構成により、第１永久磁石３０及び第２永久磁石４０を用いるとともに第２穴２２に突出部２２ａを設けることで漏れ磁束を低減させた結果としてトルクリップルが増加したとしても、第１穴２１に空隙部２１ａを形成することでトルクリップルを低減することができる。

上記実施の形態における回転子２では、平面視の外周形状が円である回転子鉄心２０を用いたが、これに限らない。図１９は、変形例１２に係る回転子の一部を拡大して示す拡大平面図である。具体的には、図１９に示される回転子２Ｍのように、平面視の外周形状の一部に直線を有するように外周部分に平坦面２５が形成された回転子鉄心２０Ｍを用いてもよい。例えば、図１９に示される回転子鉄心２０Ｍでは、第１穴２１に対向する部分に平坦面２５が形成されている。この構成により、第１永久磁石３０及び第２永久磁石４０を用いるとともに第２穴２２に突出部２２ａを設けることで漏れ磁束を低減させた結果としてトルクリップルが増加したとしても、回転子鉄心２０Ｍの外周部に平坦面２５を形成することでトルクリップルを低減することができる。

図２０は、変形例１３に係る回転子の一部を拡大して示す拡大平面図である。図２０に示される回転子２Ｎの回転子鉄心２０Ｎのように、外周部に平坦面２５だけではなく膨出面２６を形成することで、さらにトルクリップルを低減することができる。膨出面２６は、外側に膨らむように湾曲した湾曲面であり、図２０では、第２穴２２に対向する部分に形成されている。

上記実施の形態における固定子３は、固定子鉄心３ａにおける隣り合う２つのティース３ａ１の先端同士の間に開口部が設けられたオープンスロットステータであったが、これに限らない。図２１は、変形例１４に係る電動機における固定子の部分断面図である。例えば、図２１に示される固定子３Ｏのように、固定子鉄心３ａにおける隣り合う２つのティース３ａ１の先端同士が繋がったクローズドスロットステータであってもよい。この構成により、第１永久磁石３０及び第２永久磁石４０を用いるとともに第２穴２２に突出部２２ａを設けることで漏れ磁束を低減させた結果としてトルクリップルが増加したとしても、固定子３Ｏとしてクローズドスロットステータを用いることで、トルクリップルを低減することができる。

上記実施の形態における回転子２では、磁極数が８であったが、これに限らない。図２２は、変形例１５に係る回転子の断面図である。例えば、図２２に示される回転子２Ｐのように、磁極数は１０であってもよい。この場合、主磁束としてＳ極とＮ極との磁極が周方向に交互に位置するように周方向に１０個の第１永久磁石３０と１０個の第２永久磁石４０とが配置されている。つまり、図２２に示される回転子２Ｐの回転子鉄心２０Ｐには、１０個の第１穴２１と１０個の第２穴２２とが交互に設けられている。なお、回転子の磁極数は、８、１０以外であってもよく、回転子の磁極数は、２ｎ（ｎは自然数）であれば、任意の数が適用される。

上記実施の形態では、回転子鉄心２０に設けられた第２穴２２の全てが突出部２２ａを有していたが、これに限らない。例えば、複数の第２穴２２の中に、突出部２２ａを有していない第２穴２２が含まれていてもよい。

上記実施の形態では、第２穴２２の突出部２２ａは空隙部になっていたが、これに限らない。例えば、突出部２２ａを含めて各第２穴２２の全部に第２永久磁石４０が埋め込まれていてもよい。つまり、第２永久磁石４０の平面視形状及び大きさは、第２穴２２の平面視形状及び大きさとほぼ同じであってもよい。この場合、第２永久磁石４０は、焼結マグネットであってもよいが、直方体以外の形状を有する焼結マグネットは、加工が難しく、コスト高になる。したがって、突出部２２ａを含めて各第２穴２２の全部に第２永久磁石４０を埋め込む場合、第２永久磁石４０は、ボンド磁石であるとよい。なお、第１永久磁石３０も焼結マグネットに限らず、ボンド磁石であってもよい。

また、上記実施の形態では、第１永久磁石３０を主磁石とし、第２永久磁石４０を補助磁石としたが、これに限らない。例えば、第２永久磁石４０を主磁石とし、第１永久磁石３０を補助磁石としてもよい。

また、上記各実施の形態における回転子を備える電動機は、種々の電気機器に用いることができる。例えば、電気掃除機、エアコン、冷蔵庫等の家庭用電気機器、又は、自動車用機器、ロボット等の産業用電気機器に利用することができる。

本開示の技術は、例えばＩＰＭロータ等の回転子に利用することができる。本開示の技術は、回転子だけではなく、回転子を備える電動機及び電動機を備える電気機器等の種々の製品に広く利用することができる。

１ 電動機
２、２Ａ、２Ｂ、２Ｃ、２Ｄ、２Ｅ、２Ｆ、２Ｈ、２Ｉ、２Ｊ、２Ｋ、２Ｌ、２Ｍ、２Ｎ、２Ｐ 回転子
３、３Ｏ 固定子
３ａ 固定子鉄心
３ａ１ ティース
３ｂ 巻線コイル
１０ 回転軸
２０、２０Ｂ、２０Ｃ、２０Ｄ、２０Ｅ、２０Ｆ、２０Ｈ、２０Ｉ、２０Ｊ、２０Ｋ、２０Ｌ、２０Ｍ、２０Ｎ、２０Ｐ 回転子鉄心
２０ａ 貫通孔
２０ｂ 鋼板
２０ｂｒ ブリッジ部
２１ 第１穴
２１ａ 空隙部
２２ 第２穴
２２ａ 突出部
２３ 凹部
２４ 突起
２５ 平坦面
２６ 膨出面
３０ 第１永久磁石
４０ 第２永久磁石

Claims (13)

1. 複数の第１穴及び複数の第２穴を有する鉄心と、それぞれ前記複数の第１穴に配置された複数の第１永久磁石と、前記鉄心に固定された回転軸とを備え、前記複数の第１穴及び前記複数の第２穴は、前記回転軸を中心として放射状に設けられており、前記複数の第１穴の各々は、前記鉄心の径方向に延在し、前記複数の第２穴の各々における前記鉄心の径方向の長さは、前記複数の第１穴の各々における前記鉄心の径方向の長さよりも小さく、前記複数の第２穴の各々は、前記複数の第１穴のうち前記第２穴と前記鉄心の周方向に隣り合う第１穴に対して前記鉄心の径方向の内側寄りに位置し、且つ、当該第２穴と前記鉄心の周方向に隣り合う前記第１穴に向かって突出する突出部を有し、前記突出部は、前記第１穴の一辺に対向する対向辺を有し、前記複数の第２穴の各々において、前記鉄心の径方向の内側寄りに位置し、かつ第２穴の径方向の内側寄りの対向辺の一部から突出し、径方向の内側において頂点を有し且つ前記頂点に向かって幅が狭くなる形状で、前記対向辺と前記一辺とのなす角は、－５°以上５°以下であり、それぞれ前記複数の第２穴に配置された複数の第２永久磁石を備える、回転子。
2. 前記複数の第２穴の各々において、前記突出部は、前記第２穴における前記鉄心の径方向に延在する中心線を挟んだ両側に設けられている２つの突出部を含む、請求項１に記載の回転子。
3. 前記２つの突出部は、前記中心線に対して線対称に設けられている、請求項２に記載の回転子。
4. 前記鉄心は、前記突出部と前記第１穴との間の部分であるブリッジ部を有し、前記ブリッジ部における隣り合う前記第１磁石と前記突出部とが対向する部分の前記鉄心の径方向の長さをｌとし、隣り合う前記第１磁石と前記突出部とが対向する部分のうち最も前記鉄心の径方向の内側に位置する部分における前記ブリッジ部の幅をｗとし、前記第１永久磁石の残留磁束密度をＢｒとし、前記鉄心の飽和磁化をＪｓとすると、以下の関係式を満たす、
   請求項１～３のいずれか１項に記載の回転子。
5. 前記対向辺と前記一辺とは、平行である、請求項１に記載の回転子。
6. 前記突出部には、前記第２永久磁石が存在しない、請求項１に記載の回転子。
7. 前記突出部の少なくとも一部に、前記第２穴と前記第２永久磁石とを固定するための接着材が存在する、請求項１に記載の回転子。
8. 前記第２穴は、前記鉄心を貫通する貫通孔である、請求項１に記載の回転子。
9. 前記鉄心は、前記回転軸の軸心方向に積層された複数の鋼板によって構成されており、前記複数の鋼板のうちの少なくとも２つは、前記第２穴が設けられておらず、前記複数の鋼板のうちの前記第２穴が設けられていない２つの前記鋼板の間に位置する鋼板には、前記第２穴が設けられており、前記第２永久磁石は、前記第２穴が設けられていない２つの前記鋼板に挟まれている、請求項１に記載の回転子。
10. 前記鉄心は、前記回転軸の軸心方向に積層された複数の鋼板によって構成されており、前記複数の鋼板のうちの少なくとも１つは、前記第２穴が設けられておらず、前記第２永久磁石は、前記第２穴が設けられていない前記鋼板を介して２つ配置されている、請求項１に記載の回転子。
11. 前記鉄心は、前記回転軸の軸心方向に積層された複数の鋼板によって構成されており、前記複数の鋼板のうちの少なくとも１つは、前記第２穴の辺の一部から前記第２穴の内方に向かって突出する突起を有する、請求項１に記載の回転子。
12. 前記鉄心は、前記突出部と前記第１穴との間の部分であるブリッジ部を有し、前記ブリッジ部の表面の少なくとも一部は、前記回転軸の軸心方向に凹んでいる、請求項１～１１のいずれか１項に記載の回転子。
13. 請求項１～１２のいずれか１項に記載の回転子と、エアギャップを介して前記回転子に対向して配置され、前記回転子に作用する磁力を発生させる固定子とを備える、電動機。